BioPROTECT-Mask

Bio-Aerosol-Protektion durch gebrauchsfertige und optimierte Schutzmasken für Hoch- und Niedrigrisikopatienten

Projektteam der HHN

Externe Projektpartner

PD Dr. med. Henrik Watz                               Koordinator BioPROTECT-Mask, Patientenrekrutierung für Maskentests an Risikopatienten

Priv.-Doz. Dr. med. Frederik Trinkmann               Teilprojektleiter MaskBREATHING, Patientenrekrutierung für Maskentests an Risikopatienten

Prof. Dr. Thomas Bahmer                        Wissenschaftlicher Ratgeber klinische Studie MaskBREATHING

Projektlaufzeit

1.8.2020-31.12.2021

Projektbeschreibung

Schutzmasken stellen eine vielversprechende Option sowohl zum Selbst- als auch zum Fremdschutz vor SARS-CoV-2 dar. Es ist allerdings weitgehend ungeklärt, wie sich der Abscheidegrad und der Druckverlust der Masken über die Tragezeit entwickeln (Maske wird zunehmend feuchter). Für Risikopatienten mit Lungenerkrankungen ist es besonders wichtig, dass der Strömungswiderstand (Druckverlust) der Masken klein genug ist, so dass das Atmen nicht behindert ist.

Daher sollen in BioPROTECT-Mask mit Hilfe von Strömungssimulation optimierte Masken entwickelt werden, die trotz eines hohen Abscheidegrad einen niedrigen Druckverlust bei gutem Tragekomfort aufweisen und so auch die Risikogruppen vor SARS-CoV-2 schützen.

Drei Teilprojekte

MaskBREATHING - Koordination: Deutsches Zentrum für Lungenforschung

Bio-Aerosol-Protektion durch gebrauchsfertige und optimierte Schutzmasken für Hoch- und Niedrigrisikopatienten – Evaluation von Lungenfunktion, körperlicher Belastbarkeit und Luftnot bei Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen


MaskCFD - Koordination: Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS), HHN

Bio-Aerosol-Protektion durch gebrauchsfertige und optimierte Schutzmasken für Hoch- und Niedrigrisikopatienten – Optimierung von Schutzmasken mit Hilfe von Strömungssimulation


MaskCFD - Koordination: Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS), HHN


MaskPRO - Koordination: Junker-Filter GmbH

Bio-Aerosol-Protektion durch gebrauchsfertige und optimierte Schutzmasken für Hoch- und Niedrigrisikopatienten – Untersuchung, Design und Prototypenherstellung von Schutzmasken mit optimiertem Atemwiderstand und Tragekomfort

Workflow BioPROTECT-Mask

Workflow Bio-Protect-Mask

Workflow zur Maskenuntersuchung und -entwicklung in BioPROTECT-Mask in Abhängigkeit des Maskentyps

Für die zertifizierten Schutzmasken sollen zunächst Druckverlust und Fraktionsabscheide-grad, d.h partikelgrößenabhängiger Abscheidegrad, als Funktion der Tragezeit und damit zunehmender Befeuchtung gemessen werden. Alle Masken werden dabei sowohl von innen nach außen als auch von außen nach innen durchströmt werden, um Selbst- und Fremdschutz zu ermitteln. In klinischen Testungen soll eruiert werden, welche dieser Masken dank geringen Druckverlusts geeignet sind für Hochrisikopopulationen mit chronischen Lungenerkrankungen und präexistenter Luftnot und eine Empfehlung für geeignete Modelle bzw. Fertigungs- und Materialcharakteristika ausgesprochen werden.

Als Grundlage zur Fertigung von selbst hergestellten Alltagsmasken sollen zunächst geeignete Materialien anhand von Materialtests identifiziert werden, die Masken anschließend gefertigt werden und wie für die zertifizierten Schutzmasken Druckverlust und Fraktionsabscheidegrad als Funktion der Tragedauer gemessen werden. In klinischen Studien sollen die Auswirkungen des Tragens dieser Alltagsmasken an verschiedenen Populationen von Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen unter kontrollierten klinischen Bedingungen (Lungenfunktionsuntersuchungen, submaximale Belastungsuntersuchungen, Symptomscores) getestet werden. Daraus wird eine Fertigungsempfehlung für selbst hergestellte Alltagsmasken resultieren. Die Ergebnisse der verschiedenen Arbeitspakete münden in einer gemeinsamen Fertigungsempfehlung für Alltagsmasken, die ein optimales Verhältnis von Schutz und Zumutbarkeit bieten.

Für den Entwurf optimierter Schutzmasken sollen zunächst Filtermaterialien getestet und daraus die 3D-Geometrie der Filterstruktur, z.B. durch μCT-Scans ermittelt werden. CFD-Simulationen auf diesen Strukturen und ein Optimierungsansatz ergeben die beste Schichtung verschiedener Lagen von Filtermaterialien im Hinblick auf die Kostenfunktionen „minimaler Druckverlust“ und „maximaler Abscheidegrad“. Die virtuell optimierten Schutzmasken werden als physische Prototypen gefertigt und ebenfalls wieder Messungen von Druckverlust und Fraktionsabscheidegrad sowie klinischen Tests unterworfen. Das Gesamtresultat ist ein optimierter und validierter Masken-Prototyp.

Optimierung von Schutzmasken mit Hilfe von Strömungssimulation (MaskCFD)

Teilprojekt HHN

Dieses Teilprojekt des Verbunds BioPROTECT-Mask konzentriert sich auf die Identifikation von zertifizierten Masken, die von Risikogruppen mit geringem Atemzug genutzt werden können, die Entwicklung gut schützender und "durchatembarer" selbst hergestellter Alltagsmasken, die Optimierung von Masken mit dem Ziel, den Druckverlust zu reduzieren (geringerer Atemwiderstand) und gleichzeitig den Abscheidegrad (Schutzwirkung) zu erhöhen. Für Letztere werden 3D-Geometrien bestehender Filtermaterialien bestimmt, z.B. basierend auf μCT-Scans. In einer CFD-basierten Optimierung, wird die Schichtabfolge und Schichtdicke der Filtermaterialien variiert mit dem Ziel, Abscheidegrad und Druckverlust zu verbessern im Hinblick auf Selbstschutz (Strömung von außen nach innen) und Fremdschutz (Strömung von innen nach außen). Die optimierten virtuellen Prototypen werden in TP3 als physische Prototypen gebaut. Für diese werden Druckverlust und Fraktionsabscheidegrad über die Tragezeit und damit zunehmende Durchfeuchtung gemessen, um Empfehlungen zur Trageweise zu geben. Die CFD-Modelle werden validiert. Der virtuelle Prototyp kann dann als Basis für eine Serienentwicklung dienen.

Projektpartner

Klinik Partner

Logo-DZL

Deutsches Zentrum für Lungenforschung

Standorte

  • Translational Lung Research Center Heidelberg / Thoraxklink Universitätsklinikum Heidelberg
  • Airway Research Center North / Pneumologisches Forschungsinstitut an der LungenClinik Großhansdorf GmbH
  • Airway Research Center North / 1. Medizinische Klinik, Universitätsklinik Schleswig-Holstein, Campus Kiel

Industriepartner

Logo Junker

Junker-Filter GmbH (JF)

BMBF-Logo
Logo des Audits familiengerechte Hochschule. Die HHN ist seit 2005 zertifiziert.
Logo der weltoffenen Hochschulen gegen Fremdenfeindlichkeit
Logo der Charta der Vielfalt mit Stempel unterzeichnet
Logo der Hochschulföderation Süd-West (HfSW)